二元光学综述
激光主动成像技术综述
0引言激光主动成像具有分辨率高、抗干扰性好等优势。
因此该技术被越来越多的应用于侦查、制导、导航、测绘等领域。
围绕着激光主动成像这一课题，形成了多个研究热点，多项技术快速发展。
本文介绍并分析了激光主动成像的一些相关技术和研究成果，这些技术应用前景较为广泛，引领着未来激光成像的发展方向。
1成像机制激光成像技术受成像探测器的制约，分为扫描成像和非扫描成像两种[1]。
1.1扫描型激光主动成像扫描型激光成像技术发展较早，多应用于成像速率要求不高的系统中。
本文列出了几种主要的扫描模式，论述原理，分析优缺点，如表1所示。
作者简介:王燕(1984-)，女，硕士，工程师，主要从事激光导引信息处理技术研究。
激光主动成像技术综述Overview of Laser Active Imaging Technology王燕1,王鹏辉1,2(1.中国空空导弹研究院,河南洛阳471009;2.航空制导武器航空科技重点实验室,河南洛阳471009)Wang Yan 1,Wang Peng-hui 1,2(1.China Airborne Missile Academy,Henan Luoyang 471009;2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons,Henan Luoyang 471009)摘要：激光主动成像技术是正在快速发展的前沿技术，其应用前景非常广泛。
该文介绍了不同的激光成像体制、激光成像图片的信息处理技术、以及激光成像的目标识别算法等，分析了这些技术的原理、特点和适用场景。
关键词:成像体制；信息处理；目标识别中图分类号:TN249文献标识码：A文章编号：1003-0107(2019)07-0001-03Abstract:Laser active imaging technology is a rapidly developing advanced technology,and its application prospects are very wide.This paper introduces different laser imaging systems,information processing tech-nologies of laser images,and target recognition algorithms of laser imaging.The principles,characteristics and applicable scenarios of these technologies are analyzed.Key words:imaging systems;information processing;target recognition CLC number:TN249Document code:AArticle ID ：1003-0107(2019)07-0001-03表1扫描型激光成像系统测试测量技术1电子质量2019年第07期(总第388期)1.2非扫描型激光主动成像1.2.1基于APD探测器的激光主动成像1.2.1.1盖革模式APD雪崩管阵列探测器盖革模式的雪崩管阵列探测器中的每个像元都集成了距离计数器。
光学教程(叶玉堂)第2章 理想光学系
h1 f tan uk
2、截距计算法
l1l2 lk h1 f tan uk l2l3 lk
§2.5 单透镜
一、单个折射球面的主点 1、物方主点H，像方 主点Hˊ和球面顶 点O相重合，而且 物方和像方主平面 切于球面顶点O。 单个折射球面的基点与基面
二、单透镜的基点与基面
各种透镜的基点位置具体分析
双凸透镜
当d<n(r1-r2)/(n-1)时，f ˊ >0 透镜是会聚的，两主平面总 位于透镜内部； 当d=n(r1-r2)/(n-1)时，fˊ=∞， 相当于一个望远镜系统； 双凸透镜 当d>n(r1-r2)/(n-1)时，fˊ<0 ， 透镜是发散的。非常厚，一般不采用这种结构
1111111001iii???iiii???ii?iiii?iiinu?nunu?nudyduyyyn?????????????????????????????????????1100?????????nuy3传递矩阵11iii?ii?imdmddn???????其中12111111111?111010111111010101011kkkk?k??kkkaaaaddnnbabcmrdrdrmtmaddtc????????????????????????????????????????????????????????????????其中nuy二物像矩阵1物像矩阵的定义
物方焦距和像方焦距
h f tan u
h f tan u
一对主点和一对焦点构成基点，一对平面和一对 焦平面构成基面。
§2.2 理想光学系统的物像关系
一、图解法求像 1、已知主点和焦点，求成像的例子 过B点作两条入射光线，一条平行于光轴，另 一条过物方焦点。如图所示
紫外LED光刻光源系统的研究进展
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｌ ｏ ｗ ｃ ｏ ｓ ｔ ，ｓ ｍａ ｌ ｌ ｖ ｏ ｌ ｕ ｍ ｅ， ｌ ｏ ｗ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｌ ｏ ｎ ｇ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ａ ｎ ｄ
无 辐 射 、发 热 量 少 、瞬 间 点 亮 、无 污 染 等 优 点 ，
因此 ，在 光 刻 设 备 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 ，对
紫外 Ｌ Ｅ Ｄ光 源 系 统 进 行 深 入 研 究 有 着 重 要 的 实 用
二元光学概述
1.二元光学概述（含义发展背景,国内 外发展状况,特点）
2. 二元光学元件的设计方法 3. 二元光学元件的制作方法 4. 二元光学元件的应用（重点介绍） 5．深蚀刻二元光学元件 6. 结束语
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1.二元光学概述
传统光学 基于光波的折射和反射原理，利用透镜、
反射镜和棱镜等元件进行设计和实现各 种光学功能。 衍射效应总是导致光学系统的分辨率受 到限制，除了光波的色散性质可应用于 光谱学之外，传统光学总是尽量的避免 衍射效应造成的不利影响。
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3. 二元光学元件的制作方法
Preparing Mask 1 Subst rat e
Lithography Cleaning RIE Mask 2 Coating Mask 3 Coating
Examinat ion
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3. 二元光学元件的制作方法
Mask 1
substrate Mask 2
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1.二元光学概述
从1990年起，美国光学学会年会和国际 光学工程协会设有衍射光学与二元光学 专题讲座和衍射光学专题会议；美国和 欧洲的重要光学杂志分别出版衍射光学 专集。 作为一个新学科领域已经形成
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1.二元光学概述
1992年5月美国商业性杂志“ Photonics” 刊登一篇专题文章：“衍射光学大量产 生新一代的产品和拥有数百万美元的市 场” 表明：衍射光学产业正在形成
化、轻型化、可复制、价格低、可设计 产生任意形状的波前、 可把多种功能集 中于一个器件上等其他器件不可比拟的 特点。
发展迅猛，成为二十一世纪的前沿 学科。
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2. 二元光学元件的设计方法
二元光学元件
1
二元光学( Binary Optics )是衍射 光学、微光学的主要分支学科，是光 学与微电子、微计算机相互融合、渗 透而形成的前沿交叉学科。是研究微 米、亚微米级特征尺寸光学元件的设 计、微细加工技术及利用该元件以实 现光束的发射、聚焦、传输、成象、 分光、图象处理、光计算等一系列功 能的理论和技术。
2
二、二元光学元件的结构
γ d x
闪耀光栅 光栅周期d，闪耀角γ
相位轮廓化
多阶相位轮廓光栅 γ d Δh x 光栅常数d/N，阶梯深度Δh
h
d sin , N
N 2n
3
折射透镜到二元菲涅尔透镜的演变过程
4
三、二元光栅夫朗和费衍射强度分布及特点
由图得以下关系：
A O B Δh d'
2
6
四、二元光学元件的制作方法
掩膜
刻蚀
刻蚀
刻蚀
光学光刻制作8台阶衍射微光学元件的原理
7 下一节
I sin m / N sin m I 0 m sin m 1 / N
2
1、衍射效率与台阶的数目N和衍射级次m有关；
2、台阶的数目N越大，＋1级的衍射效率越高。当N 趋于无穷时，能量将全部集中到＋1级上。此时
I sin / N I0 / N
第七节 二元光学元件
(Binary Optical Element，BOEs )
一、概念
基于光波的衍射理论，运用计算机辅助设计， 并运用超大规模集成电路制作工艺，在片基上刻蚀 产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、 同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。
随之形成的一门新的学科分支，称二元光学 。
星载反射式成像系统计算光学设计方法综述
第44卷第6期航天返回与遥感2023年12月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING1星载反射式成像系统计算光学设计方法综述高金铭1,2,3郭劲英3孙越4卞殷旭1,2于钱5彭吉龙5贺融6罗茂7匡翠方1,2司徒国海3,*（1 浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，杭州310027）（2 浙江大学杭州国际科创中心，杭州311215）（3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800）（4 中国科学院南京天文光学技术研究所，南京210042）（5 北京环境卫星工程研究所，北京100094）（6 重庆嘉陵华光光电科技有限公司，重庆400700）（7 重庆嘉陵特种装备有限公司，重庆400032）摘要星载反射式遥感成像系统的结构集成度高、光学面型复杂，面临光学初始结构难以求解和像质优化难以收敛的设计难题。
综述着重探讨星载反射式成像系统中的计算光学设计方法。
星载反射式成像系统计算光学设计，包括复杂曲面反射镜、曲面反射型光栅等硬件设计，以及计算成像图像解码等算法设计。
面对星载遥感成像的不同应用，文章从深度学习光学结构设计、合成孔径计算成像、景深延拓计算成像、主动光学计算像差补偿和曲面光栅计算光谱成像等几个方面进行系统性地分类讨论。
本综述结论为：基于计算光学的设计方法，无论在光学结构与面型求解方面，还是图像信号非线性逆问题求解方面，都具有强大的设计能力。
在发展趋势上，计算光学在航天光学系统的设计潜力刚刚被挖掘。
在“人工智能时代”的软、硬件算力支持下，计算光学方法将大大提升星载反射式成像系统设计的便捷性。
关键词遥感成像光学设计人工智能计算光学中图分类号: O439文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2023)06-0001-11DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2023.06.001Overview of Computational Optics Design for Space-Borne ReflectiveImaging SystemGAO Jinming1,2,3GUO Jinying 3SUN Yue 4BIAN Yinxu 1,2YU Qian 5PENG Jilong 5HE Rong 6LUO Mao 7KUANG Cuifang 1,2SITU Guohai3,*（1 State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, ZhejiangUniversity, Hangzhou 310027, China）（2 ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, Zhejiang University, Hangzhou 311215, China）（3 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 201800, China）（4 Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China）（5 Beijing Environmental Satellite Engineering Institute, Beijing 100094, China）（6 Chongqing Jialing Huaguang Optoelectronic Technology Co. Ltd., Chongqing 400700, China）（7 Chongqing Jialing Special Equipment Co. Ltd., Chongqing 400032, China）Abstract The space-borne reflective remote sensing imaging system are facing challenges to solve the收稿日期：2023-07-26基金项目：国家自然科学基金项目（61991452，62061136005，12104472，62005120）引用格式：高金铭, 郭劲英, 孙越, 等. 星载反射式成像系统计算光学设计方法综述[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(6): 1-11.GAO Jinming, GUO Jinying, SUN Yue, et al. Overview of Computational Optics Design for Space-Borne ReflectiveImaging System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(6): 1-11. (in Chinese)2航天返回与遥感2023年第44卷optical initial structure and optimize the image quality, which are with high structural integration and complex optical facets. This review focuses on computational optical design methods in space-borne reflective imaging systems. These include hardware design of complex curved mirrors and curved reflective gratings, as well as algorithm design of computational signal decoding. This review systematically discusses several aspects such as deep learning optical structure design, synthetic aperture computational imaging, depth-of-field extension computational imaging, active optics computational aberration compensation, and curved grating computational spectral imaging. In conclusion, the design methods based on computational optics have powerful design capabilities, both solving optical structure and optimizing image signal nonlinear inverse problem. As trend, the potential of computational optics in aerospace optical systems has just been explored. With the support of computing power in the "artificial intelligence era", the computational optics method will greatly improve the convenience of designing satellite-based reflective imaging systems.Keywords remote imaging; optical design; artificial intelligence; computational optics0 引言目前，大口径、宽波段、长焦距、轻量化以及极短波长探测等是空间遥感光学系统的发展趋势。
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件一、二元衍射光学元件简介1.定义与特点二元衍射光学元件（Binary Defractive Optical Elements，简称BDOs）是一种具有周期性结构的光学元件，其表面形貌由两个不同的周期性图案组成。
与传统的光学元件相比，二元衍射光学元件具有重量轻、厚度薄、高数值孔径等特点，因此在光学系统中具有广泛的应用前景。
2.应用领域由于其独特的性能，二元衍射光学元件广泛应用于光纤通信、光学成像、光谱分析等领域。
二、二元衍射光学元件的原理1.光栅方程二元衍射光学元件的光栅方程为：m * λ = β * (a + b)其中，m为光栅级数，λ为入射光波长，β为衍射效率，a和b分别为光栅的上下表面高度。
2.衍射效果二元衍射光学元件通过对入射光的衍射，可以实现对光的传播方向和相位的调控，从而达到聚焦、成像、分光等光学功能。
三、二元衍射光学元件的制备与性能优化1.制备方法常见的二元衍射光学元件制备方法有激光微加工、电子束曝光、光刻等。
2.性能指标二元衍射光学元件的性能指标主要包括衍射效率、像差、成像质量等。
3.优化策略为提高二元衍射光学元件的性能，可以采用以下优化策略：（1）优化光栅结构，如调整光栅级数、间距等参数；（2）采用适当的制备工艺，降低表面粗糙度、提高光刻精度；（3）引入相位补偿结构，降低像差。
四、二元衍射光学元件在各领域的应用1.通信领域二元衍射光学元件在光纤通信中可作为光波导、光分路器等关键器件，实现光信号的传输和切换。
2.成像领域在光学成像系统中，二元衍射光学元件可作为成像元件，实现高质量成像。
如应用于微型摄像头、夜视仪等设备。
3.光谱分析领域二元衍射光学元件在光谱分析领域具有广泛应用，如用于光谱仪、色散器等设备。
4.其他领域此外，二元衍射光学元件还应用于激光加工、照明系统、生物医学成像等领域。
综上所述，二元衍射光学元件具有广泛的应用前景。
二维材料的光学性质研究
二维材料的光学性质研究随着材料科学的发展，二维材料的研究成为了当前研究热点之一。
与传统的三维材料不同，二维材料的特殊结构赋予了其独特的光学性质。
本文将从几个方面探讨二维材料的光学性质研究。
首先，二维材料的光学吸收性质是研究的重要方向之一。
二维材料的单原子层结构使得其光学吸收度非常高，能够吸收宽波段的光线。
这种特性使得二维材料在太阳能电池和光电器件等领域有着广泛的应用前景。
同时，二维材料的光学吸收性质还与其禁带宽度和能带结构等因素相关。
通过调控和设计二维材料的结构和组分，可以实现对其光学吸收性质的调控和优化。
其次，二维材料的光学散射性质也备受关注。
光学散射是光与材料相互作用时产生的重要现象，对于研究和应用二维材料具有重要意义。
根据散射过程的不同，可以将光学散射分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指光子与材料中的电子或晶格发生相互作用后，能量和动量守恒的散射过程。
非弹性散射则是指光子在与材料相互作用时，能量和动量不守恒的散射过程。
通过研究二维材料的光学散射性质，可以揭示其内部结构和电子态密度等信息。
此外，二维材料的光学响应时间也是一个重要的研究方向。
光学响应时间是指材料在光照射下，由非平衡态恢复到平衡态所需的时间。
对于二维材料来说，由于其单原子层结构，光电荷载流子的寿命相对较短，导致其光学响应时间较快。
这使得二维材料在光电器件中具有更快的响应速度，适用于高速通信和光电传感等领域。
而研究二维材料的光学响应时间，则需要利用快速光学和电学测量技术，实时观察和分析其光学行为。
最后，二维材料的光学性质与外界环境的相互作用也需要深入研究。
在实际应用中，二维材料通常处于复杂多样的环境中，例如光照、温度和湿度等。
这些外界环境的变化可能会对二维材料的光学性质产生重要影响。
通过研究二维材料与不同环境条件下的相互作用，可以更好地理解其光学性质的本质，并为实际应用提供指导。
综上所述，二维材料的光学性质研究是目前材料科学研究的热点之一。
二元光学
二元光学元件的设计以及制造
几 种 典 型 的 二 元 光 学 器 件
二元光学元件的设计问题是去构造一个 新的分布函G(u),G(u)=|G(u)|. exp(i. f(u)) 它满足以下三个条件： (1) |G(u)|＝1，（纯相位型元件，振幅为 常数）； (2) f(u)是L 等级量化的（二元光学元件 ）； (3) G(u)的夫琅和费衍射花样g(x)＝ FT{G(u)｝的强度分布|g(x)|2 以高精 度地逼 近已知的强度信号| f (x)|2
二元光学元件的设计步骤
(1) 编码过程 将原先振幅分布中所携带的信 息，尽可能多的编码到相位分布中去。 (2) 量化处理 对连续分布的相位进行分级量 化处理。 主要有：G-S 算法、Y-G 算法及SA（ Simulation Annealing）算法。 普通光学零件的面形是用研磨、抛光方法加 工而成的，而二元光学元件的面 形是用与超大规 模集成电路制造技术相同的方法加工的。 由于制 造技术仍是制约二元光学元件发展的关键问题， 所以改进制造技术是 一个主要的研究领域。
2
3 消反射的衍射元件
为了抑制光学表面的菲涅尔反射，通常采用镀膜方法，即在光学
表面镀一层 具有梯度射射率的薄膜，使得两种介质界面的光学性质近似
的连续变化，从而获 得极低的反射率。由于镀膜中常用的化学萃取和共 蒸发方法都要用到各向异性材料，因而不可避免的带来热学和力学性能
不均匀等问题，使得高质量镀膜难以成功的制作 。
7
其它应用
莱福枪上的夜视仪 ，具有可宽带使用、大数值口径、携带方便、低 成本和大量复制等特点。
飞行员头上的平视显示仪 ，具有重量轻、光能损失小、单色显示且
显示清晰等优点。 达曼光栅分束器，其光束利用率极高，各光束强度均匀性好。
衍射二元面加工
衍射二元面加工衍射是光学中的一种现象，当光线通过一个孔或者绕过一个物体时，会发生衍射现象。
而二元面加工则是一种加工技术，通过对工件表面进行切削、磨削等操作，使其表面达到一定的精度和光洁度。
本文将探讨衍射二元面加工的相关内容。
一、衍射的基本原理衍射是光波传播过程中的一种波动现象。
当光波通过一个孔或者绕过一个物体时，波前将发生弯曲，使光波在空间中发生扩散。
衍射现象的强度和分布规律与光波的波长、孔径大小以及传播距离等因素有关。
二、二元面加工的基本过程二元面加工是一种用于加工工件表面的方法，旨在使其表面平整、光滑，并达到一定的精度要求。
二元面加工的基本过程包括：工件上下两个面的加工、工件的定位和夹紧、切削或磨削加工等。
三、衍射二元面加工的意义衍射二元面加工将衍射现象与二元面加工技术相结合，可以有效改善工件表面的光学性能。
通过合理的切削或磨削操作，可以使工件表面的微观形貌更加均匀，减小表面粗糙度，提高光学透射率。
四、衍射二元面加工的应用领域衍射二元面加工技术在光学元件、光学仪器制造等领域有着广泛的应用。
例如，在激光器的制造过程中，需要对激光输出窗口进行加工，以提高激光的传输效率和输出质量。
而在光学镜片的加工中，衍射二元面加工可以改善镜片的表面光洁度和平整度，从而提高镜片的成像质量。
五、衍射二元面加工的发展趋势随着光学技术的不断发展，对光学元件表面质量的要求也越来越高。
衍射二元面加工作为一种高精度加工技术，将在光学制造领域发挥越来越重要的作用。
未来，随着加工设备和工艺的不断改进，衍射二元面加工的加工精度和效率将进一步提高。
六、衍射二元面加工的挑战和解决方案衍射二元面加工面临的主要挑战包括：工件材料的选择、加工过程中的热变形问题、加工精度的控制等。
为了解决这些问题，可以采用高硬度的工具材料、优化加工参数、控制加工温度等措施，以提高加工精度和表面质量。
衍射二元面加工是一种将衍射现象与二元面加工技术相结合的加工方法。
如何使用Binary2面型设计衍射光学元件
概述这篇文章介绍了如何在OpticStudio中建立衍射光学表面以及如何使用Binary2（二元面2）模拟衍射光学元件。
本文使用的示例文件请从以下链接下载：https:///support/knowledgebaxxxxse/Knowledgebaxxxxse-Attachments/How-to-Design-Diffractive-Optics-Using-the-Binary/How-to-use-Binary-2.aspxBinary2面型Zemax LLC感谢Optics1公司的Robert E.Fischer先生授权使用其著作《Optical System Design》中的图表。
在OpticStudio中，许多表面除了可以定义折射光焦度以外，还可以定义衍射光焦度。
衍射光焦度与材料折射率和表面矢高无关，但可以改变光的相位。
有关建立衍射光学表面的详细信息，请参考我们的往期文章“OpticStudio建模衍射表面”。
Binary2中的衍射光焦度会在光学表面的截面上引入连续的相位变化：其中系数Ai的单位为弧度。
由于相位变化在表面的截面上是连续的，因此Binary2面型模拟的是一个理想的二元衍射元件，其二元面的台阶尺寸趋近于无穷小或小于光的波长。
通常来讲，Binary2面型模拟衍射光学元件的环形衍射区 (Diffraction Zones) 的尺寸与该区域到表面顶点的径向距离有关，如下图所示。
OpticStudio可以自动计算每个环形衍射区的径向坐标使相邻区域的相位差为2π。
Figure 13.5 from Optical System DesignBinary2面型在固定径向坐标处所引入的附加相位与波长无关。
与波长相关的光程由下式给出：下图布局图所示为Binary2的色差：Binary2消色差单透镜Binary2面型经常用来矫正色差。
在一个简单的单透镜中，长波长光的焦距相比短波长的光更长，如下图（a）。
衍射光学技术及其应用
L：位相台阶数
独特的色散性能
折衍混合物镜
传统物镜
3>1>2
更多的设计自由度 台阶位置、宽度、深度、形状等。 宽广的材料可选性
只要能刻蚀的，都能作为基底进行衍射光学器件的刻蚀。 光学材料、光子学材料、光电材料、电子学材料 • 熔融石英、硅、SiO2, SiON, Si3N4 • 玻璃 glass • 塑料 plastic • 丙烯酸 acrylic • 环氧 epoxy • 聚酰胺 polyamide • 聚碳酸酯 polycarbonate • 树脂resin • ZnS • 铝 aluminum • 铬 chromium • 铜 copper • 锗 germanium • 砷化锗 germanium arsenide • 金 gold • 镍 nickel
湿法刻蚀即化学腐蚀属各向同性刻蚀， 刻蚀边缘多是园弧形，精度低，不宜 刻蚀小于3m的图形。
干法刻蚀是在气相中将要刻蚀部分变成 挥发物质而被清除，它包括离子刻蚀 (IBE)、反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束 刻蚀(RIBE)等工艺方法，均属各相异性 刻蚀。其刻蚀速率高，具有良好的方向 性和选择比，分辨率可高达10nm。
Talbot距：
多台阶Talbot光栅:
微透镜阵列: 连续位相或多阶位相菲涅耳波带透镜阵列。
微透镜阵列的应用：多重成像、波前检测
微透镜阵列的应用：与红外焦平面探测器耦合
7) 光束迭加
8)二元光学视网膜(BOR: Binary optical retina)
纹理是图象视觉表面的基本特征之一，包含了与物体形状、方位和深 度等密切相关的亮度统计信息和空间分布信息。 对输入图象提取不同频带和取向的纹理特征信息，需要的光学器件包 括Dammann 光栅、滤波器阵列、棱镜阵列等，实现光学并行带通滤波，与 视觉系统初级阶段的多通道滤波理论相似。
二元光学元件的原理与应用
二元光学元件的原理与应用【摘要】二元光学元件是光学器件中的重要组成部分，其原理和应用都具有重要意义。
在原理方面，二元光学元件通过将不同折射率的材料叠加在一起，实现光的特定传播方向和相位调控的功能。
而在应用方面，二元光学元件被广泛应用于激光器件、传感器、光通信等领域，发挥着重要作用。
二元光学元件的重要性体现在其在光学器件中的关键地位，其发展前景也十分广阔，随着光学技术的不断进步，二元光学元件将有更多的应用场景和发展机会。
通过深入了解和研究二元光学元件的原理与应用，我们可以更好地掌握光学器件的设计和制造技术，推动光学技术的发展和应用。
【关键词】引言：二元光学元件的原理与应用正文：二元光学元件的原理、二元光学元件的应用结论：二元光学元件的重要性、二元光学元件的发展前景关键词：二元光学元件、原理、应用、重要性、发展前景1. 引言1.1 二元光学元件的原理与应用二元光学元件是指由两种不同材料组成的光学元件，通常是由两种折射率不同的材料构成。
这种元件的原理是利用两种不同材料的折射率差异来实现对光的调控和操作。
其中一个材料通常被称为光导芯，用于传输光信号，另一个材料被称为光包层，用于保护和导向光信号。
二元光学元件可以实现对光信号的分光、耦合、调制等功能，广泛应用于光通信、传感、显示、激光器等领域。
在实际应用中，二元光学元件可以根据具体需求设计不同的结构和参数，以满足不同的光学系统要求。
在光通信系统中，二元光学元件可以用于光纤耦合器、光波导、光调制器等部件；在激光器中，二元光学元件可以用于模式整形、光束整形等；在传感系统中，二元光学元件可以用于光学干涉仪、光栅等。
二元光学元件作为光学器件中的重要组成部分，具有广泛的应用前景和重要性。
随着光通信、光电子技术的发展和进步，二元光学元件将会得到更广泛的应用和研究。
的研究将会促进光学技术的发展，并推动光学器件的创新和进步。
2. 正文2.1 二元光学元件的原理二元光学元件的原理主要涉及到光的干涉现象和偏振特性。
2020年中国光学基础研究十大进展
2020年中国光学基础研究⼗⼤进展来源：⽹络信息综合1.基于超构透镜阵列的⾼维量⼦纠缠光源由南京⼤学祝世宁(院⼠)、王振林(教授)、张利剑(教授)和王漱明(副教授)团队、⾹港理⼯⼤学蔡定平(教授)团队、中国科学技术⼤学任希锋(副教授)团队和华东师范⼤学李林研究员组成的联合团队，通过结合超构透镜阵列与⾮线性晶体光效应的物理过程，成功制备出了⾼维路径纠缠光源和多光⼦光源。
他们的研究报告“基于超构透镜阵列的⾼维纠缠和多光⼦量⼦光源”于2020年6⽉26⽇发表在《科学》（Science）杂志上。
随着光量⼦信息技术的发展，基于⾮线性光学过程的纠缠量⼦光源在维度扩展以及光⼦数增加⽅⾯所⾯临的光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题，制约着光量⼦信息处理的⼤规模集成。
⼀种称为“超构表⾯”的微结构薄膜材料为量⼦光源及光量⼦信息技术的发展提供了⼀条新路径。
科研团队将超构透镜与⾮线性光学晶体（β相偏硼酸钡晶体，简称BBO晶体）组合在⼀起，构成全新的超构表⾯量⼦光源系统。
他们设计并制备出10×10超构透镜阵列，使⽤泵浦激光⼊射到该系统：让超构透镜阵列将泵浦激光均分成10×10份，并在BBO晶体中聚焦；聚焦的泵浦光在BBO 中发⽣⾃发转换，从⽽产⽣⼀系列信号/闲置光⼦对。
理论上，这⼀由超构透镜与BBO晶体组合在⼀起所制备出的路径纠缠光⼦的维度是100维。
如果增加透镜阵列数，纠缠光⼦的维度还可以进⼀步提⾼。
他们⽤波长404 nm的连续激光作为泵浦光，测量超构透镜阵列中的不同超构透镜产⽣的光⼦之间的纠缠特性，所得到的⼆维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%、96.6%和95.0%。
⽽且，超构透镜具有灵活的光场调控能⼒，可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控，从⽽进⼀步调制纠缠态。
该系统也可以⽤于制备简易紧凑的多光⼦源。
实验中科研⼈员利⽤415 nm的飞秒激光作为泵浦源，分别测量了由该系统制备的4光⼦和6光⼦的符合曲线，并展⽰了4光⼦Hong-Ou-Mandel⼲涉的结果，得到很⾼的⼲涉对⽐度。
pearcey光束的光学形态形成及其数学机理研究
pearcey光束的光学形态形成及其数学机理研究
光束的光学形态形成及其数学机理的研究是研究光束的发展和传播过程的数学模型和物理现象的研究领域。
在这个领域中，研究者通过数学和物理的方法来描述和解释光束的形态形成、传播和变化的规律。
光束的形态形成涉及到光传播的物理特性以及光的波动性质。
在经典的波动光学中，光束的形态可以通过阿贝尔原理，如菲涅尔和拉爱公式等来描述。
这些公式可以用来计算光束在各种光学元件（如透镜、棱镜等）中的传播和成像过程。
此外，还可以使用亥姆霍兹方程等来描述光束的衍射、干涉和衍射衍射等现象。
随着量子力学的发展，人们发现光束不仅具有波动性，还具有粒子性，即光子的本质。
量子光学的理论研究了光子的统计性质和量子效应对光束的影响。
例如，光束的相干性和激光的产生与放大等都可以通过量子光学的方法来解释和说明。
数学机理的研究是光束形态形成及其数学模型的关键部分。
光束的形态通常可以用光学场的幅度和相位来描述。
通过利用波动方程等数学模型，可以计算和预测光束传播过程中的幅度和相位的变化，从而描述光束的形态。
常用的数学方法包括傅里叶变换、衍射理论、模式展开法等。
总之，光束的光学形态形成及其数学机理的研究旨在理解光束的特性和传播规律，为光学器件的设计和光学现象的解释提供
理论依据。
该领域的研究有助于推动光学技术的发展，同时也为应用光学提供了重要的理论基础。
二维材料的光学特性及其应用前景
二维材料的光学特性及其应用前景随着纳米科技的发展，二维材料逐渐成为研究热点，引起了学术界和工业界的广泛关注。
作为一种形态特殊且具有独特性能的材料，二维材料在光学领域的应用前景备受期待。
本文将围绕二维材料的光学特性和其潜在的应用前景展开讨论。
首先，二维材料在光学方面具有很多独特的特性。
其中，最引人注目的特性之一是二维材料的光学吸收特性。
由于其晶格结构的限制和其非常薄的纳米尺度，在可见光和红外光波段，二维材料可以表现出极高的吸收率。
这使得二维材料在太阳能电池、光催化和光探测等领域具有巨大的潜力。
同时，由于其吸收率高且能量损失小，二维材料还可以用于制造高效的光吸收器件和光传感器。
其次，二维材料的光学特性还包括荧光和复发射特性。
二维材料在宽光谱范围内具有独特的发射光谱，并且其荧光光谱可以通过外界环境的改变而发生明显的变化。
这一特性使得二维材料可以用于制造高灵敏度的传感器和荧光探针。
此外，由于二维材料发光的低维效应，其发射光谱可以通过控制其形变和晶体结构来调控，为光学器件的设计和制造提供了极大的灵活性。
此外，二维材料还具有可调控的折射率和色散特性。
由于二维材料晶格的限制，其折射率可以通过改变材料的形变和外界环境的影响进行调整。
这使二维材料在光学透镜、波导、光纤等器件中具有广泛的应用前景。
同时，二维材料还呈现出独特的色散行为，即不同波长光的折射率存在差异。
这一特性可以用于制造色散元件、色彩滤光器和光学相位调制器等光学器件。
在应用方面，二维材料有着广泛的前景。
首先，在能源领域，二维材料可应用于太阳能电池、光催化和光热传感器等领域。
利用二维材料高吸收率的特性，可以提高太阳能电池的能量转换效率并降低制作成本。
此外，在光催化领域，二维材料可以作为催化剂载体，提高光催化材料的效能。
在生物医学领域，二维材料的荧光和特殊表面性质被广泛利用于生物传感器、生物成像和药物传递等方面。
此外，二维材料还可应用于纳米光子学、超材料、光子晶体以及量子光学等领域，推动光学器件的研发和创新。
双曲面光学元件及其成像性能分析研究
双曲面光学元件及其成像性能分析研究在光学领域中，双曲面光学元件是一种特殊的光学元件，由于其专门的物理特性与凸面透镜的不同，具有一些独特的特点。
在本文中，我们将探讨双曲面光学元件的成像性能，并且深入分析不同参数、不同透镜类型、不同物体位置和不同波长下的成像性能变化。
1. 双曲面光学元件的基本原理双曲面透镜是一种高阶非球面透镜，其曲率半径随着距离的改变呈现连续变化。
这种非球面透镜不同于一般的球面透镜，具有更广泛的成像能力，可以实现更高的分辨率和更宽的视场角。
双曲面透镜的特性可以根据亥姆霍兹方程及基尔霍夫亚像差公式来分析。
2. 双曲面光学元件成像性能分析讨论双曲面光学元件成像性能时，我们可以从以下几个方面进行分析：2.1 不同曲率半径的影响由于双曲面透镜的曲率半径随距离变化呈现连续变化，因此不同曲率半径的透镜将会对成像性能产生显著的影响。
当曲率半径较小时，透镜的成像性能会受到较大的折射误差影响，成像效果会受到不利影响。
而当曲率半径较大时，则可以实现更高的分辨率和更宽的视场角。
2.2 不同透镜类型的影响除曲率半径以外，透镜的类型也会对成像性能产生影响。
对于同样的几何形状的双曲面透镜，球形透镜与非球面透镜的成像性能是不同的。
非球面透镜能够更好地解决球形透镜存在的像差问题，提供更好的成像品质。
2.3 不同物体位置的影响物体与透镜之间的距离也会对成像性能产生影响。
当物体距离透镜较近时，成像效果相对不佳，主要原因是透镜的球面影响会更大。
而当物体距离透镜较远时，成像效果可以得到显著改善，透镜形状的影响也会变得更小。
2.4 不同波长下的影响不同波长的光源对透镜成像性能的影响也是一个值得探讨的问题。
在较短的波长下，透镜折射率的变化对成像性能产生更大的影响，这可能会导致更高的像差。
因此，在设计双曲面光学元件的时候，需要考虑透镜材料的光学特性，以便为不同的光源提供最佳的成像效果。
3. 结论通过对双曲面光学元件成像性能的深入分析，我们可以清楚地看到，不同参数、不同透镜类型、不同物体位置和不同波长下的透镜成像性能均存在显著的差异，透镜参数的微小变化也可能导致成像品质的显著改变。
二元光栅衍射特性的矢量理论分析
第7卷 第5期光学 精密工程Vo l.7,N o.5 1999年10月OPTICS AND PRECISION ENGINEERING O ctober,1999文章编号 1004-924X(1999)05-0030-07二元光栅衍射特性的矢量理论分析樊叔维(中国科学院长春光学精密机械研究所应用光学国家重点实验室 长春130022)摘 要 根据麦克斯韦基本方程组,推导了描述二元光栅衍射特性的矢量理论分析方法——严格的耦合波方法,给出了T E、T M两种偏振模式入射下的耦合波方程。
应用该方法对二元位相光栅的衍射特性进行了分析,验证了该方法的收敛性及准确性。
讨论了光栅周期、光栅深度、入射波入射角度等参数对光栅衍射特性的影响。
关键词 二元光学 矢量理论 位相光栅 衍射特性分析中图分类号 O436.1 文献标识码 A1 引 言 随着计算机精密光学设计与微电子工艺技术的发展,二元光学作为光学学科的一个分支受到广泛的关注[1]。
二元光学的理论基础是光的衍射理论,目前,光的标量衍射理论较为成熟,但它只适用于表面结构特征尺寸远大于波长的光学元件。
当表面结构尺寸与波长相当时,标量衍射理论的假设条件已经不能满足,这时就需要采用严格的电磁矢量衍射理论来分析其衍射场[2]。
本文采用矢量理论——严格的耦合波理论分析了二元位相光栅在入射平面波分别为TE (电矢量与刻槽平行)、TM(磁矢量与刻槽平行)两种偏振模式下的衍射特性,给出了光栅周期、光栅深度、入射波入射角度等参数与谐波次数对耦合波方法收敛性及光栅衍射特性的影响。
2 理论分析 求解光栅衍射场的矢量理论的一般方法就是求解在入射区域,光栅区域以及透射区域内满足电磁场边界条件的麦克斯韦基本方程组的解,而严格的耦合波方法正给出了光栅衍射电磁场边值问题的麦克斯韦基本方程组的精确解,它主要包括三个步骤:1)由麦克斯韦基本方程收稿日期:1999-04-07修稿日期:1999-05-19组求得入射区域及透射区域电磁场解的表达式;2)光栅区域内介电常数及电磁场的傅立叶级数展开,并由麦克斯韦基本方程推导出耦合波微分方程组;3)在不同区域边界面上运用电磁场边界条件,通过一定的数学方法求得各级衍射波的振幅及衍射效率。
倾斜多焦点Fresnel二元光学元件的优化方法
倾斜多焦点Fresnel二元光学元件的优化方法
凌卫锋;陈林森;高永锋
【期刊名称】《光电子技术与信息》
【年(卷),期】2005(018)005
【摘要】研究了近场Fresnel条件下,具有纵向多焦点的二元光学元件的设计和优化方法.提出在Fresnel衍射近似下,实现了采用倾斜像面多焦点衍射元件的一步优化,得到了衍射光学元件的一般性优化算法.在迭代傅立叶算法的基础上,用改进的迭代傅立叶算法不仅获得更高的衍射效率(提高近3%),同时,明显改善了采用一般迭代傅立叶算法对不同焦点分布(不同倾斜角)下的不稳定性.与分步优化多焦点算法进行了比较,并用MATLAB编程计算得到所提出的方法,不仅算法速度快,同时衍射效率也更高.
【总页数】5页(P54-58)
【作者】凌卫锋;陈林森;高永锋
【作者单位】苏州大学信息光学工程研究所江苏苏州 215006;苏州大学信息光学工程研究所江苏苏州 215006;苏州大学信息光学工程研究所江苏苏州 215006【正文语种】中文
【中图分类】O436.1
【相关文献】
1.X射线成像光学的新进展:Bragg-Fresnel多层膜元件 [J], 乐孜纯
2.光学系统中的二元光学元件 [J], 樊仲维
3.并列多焦点二元光学透镜 [J], 汤猛
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5.用光学全息方法研制软X射线Bragg-Fresnel光学元件 [J], 王占山;马月英;吕俊霞;高宏刚;刘毅楠;裴舒;曹健林;徐向东;洪义麟;付绍军
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光学面形绝对检测方法发展综述
光学面形绝对检测方法发展综述
胡源;侯禛敏;蒋红梅
【期刊名称】《计测技术》
【年(卷),期】2024(44)2
【摘要】详细介绍了三平(球)面互检法、双球面法、旋转平均法、平移差分法(伪剪切干涉法)、奇偶函数法、随机球法和旋转平移法等光学面形绝对检测方法的测量原理,针对不同方法简述了国内外绝对检测技术的发展动态,并对比了不同绝对检测方法的适用领域以及存在相应的技术限制。
从物理实现和算法两方面对绝对检测技术的未来发展趋势进行展望,提出了通过提高外部机械结构精度来增加面形绝对检测精度,分析了深度神经网络算法与计算光学成像技术两种方法在绝对检测过程中的优势,并提出通过将两种方法与绝对检测技术相结合可进一步提高光学面形的绝对检测精度,为绝对检测相关领域的研究提供有益参考。
【总页数】12页(P1-12)
【作者】胡源;侯禛敏;蒋红梅
【作者单位】长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TB96;O436;TN247
【相关文献】
1.标准光学面形的建立与绝对检测
2.非球面光学元件面形检测方法
3.一种检测光学元件面形的新方法
4.基于位相测量偏折术的高精度检测平面光学元件面形的方法
5.光学面形绝对检测的数字干涉新方法
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